氨合成在线分析仪的设计选型与应用问题分析

任国良

（东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨项目中氨合成塔进出口气中的氢和氨的体积分数是判断合成反应的直接参数，为操作提供了可靠的依据。某合成氨尿素装置在热交换器的进出口设置了在线分析点，实际使用中，该处分析仪经常出现测量数据不稳、波动跳变现象，但分析仪校验正常。笔者在设计中对该问题进行了分析，发现了问题所在。

1 氨合成工艺原理

氨合成指由氮和氢在高温高压和催化剂作用下直接合成氨，为一种基本无机化工流程。氨合成反应式如下：

氨合成是可逆、体积减小的放热反应，它和其他化学反应一样，温度对反应速度和化学平衡有双重的影响。随着温度的增加，反应速率会加快，但会降低平衡浓度。压力对反应速度和化学平衡具有正作用，氨的体积分数将随压力的提高而增加，同时反应速度也随压力的升高而加速，但是提高压力将增加压缩机功耗。工艺包中要求操作表压小于14.5 MPa，入塔气温度为180～200℃，出塔气温度为430～450℃。

2 在线分析仪选型

氨合成塔进出口气体组分为H2，N2，NH3和少量Ar，其中氨合成工段要求测量进口气和出口气中φH2，φNH3。根据HG/T 20507—2014自动化仪表选型设计规范[1]，该处φH2测量选用热导式氢气分析仪，φNH3测量选用红外线气体分析仪。该工段共设2台热导式分析仪和2台红外分析仪。进/出口热导分析仪和红外分析仪共用取样和预处理系统。之前在该处设置1台色谱分析仪，并采用双流路分别测量进口气和出口气的中的φH2，φNH3，与该测量方案相比，采用热导分析仪和红外分析仪分别测量φH2，φNH3，具有维护简单、成本低、测量实时性高的优点。

3 测量数据波动问题分析

对业主反映的测量数据波动的现象进行分析，分析仪校验正常，说明分析仪设备本体是正常的。推测可能为预处理不合适，导致进分析仪气体组分不稳定。首先对工艺流程进行梳理，根据工艺流程图PFD，合成工段简化流程如图1所示。

图1 合成工段简化流程示意

气体出塔后进入废热锅炉，用以产生中压蒸汽，同时使出合成塔的气体温度降低。之后通过一系列换热器，将气体冷凝后进入分离器。在分离器中冷凝下来的氨和气体分离，液氨通过底部引出，气体从顶部进入压缩机再循环段，与原料气混合后重新进入合成塔。根据管道及仪表工艺流程，热交换器的出口为水冷器，水冷器至分离器之间管道均标注为37℃的两相流。由此推测：分析取样的气体在进入分析仪前，其中的氨可能发生了冷凝。根据工艺包数据，进出口气参数见表1所列。

表1 进出口气参数

根据道尔顿分压定律，混合气体的总压等于混合气体中各组分气体的分压之和。进口气和出口气中NH3的绝压分别为0.35 MPa和2.73 MPa。查NH3的饱和蒸气压表，进口气和出口气中NH3的分压对应的饱和温度分别约为-5℃和62℃。即当温度低于以上温度时NH3将发生冷凝，部分冷凝为液态。因为取样点与分析仪并不在同一位置，之间的取样管道并非平直，所以当NH3发生冷凝时将在最低点形成液袋。此时将会出现取样失真，进分析仪气体组分发生波动。这与业主反映的测量数据不稳，有波动跳变的现象一致。因为样气压力高，所以在取样管线上设置了预处理减压装置，预处理后气体表压为0.5 MPa，在该压力下出口气对应冷凝温度约为-30℃，该温度低于当地最低温度。出口气中φNH3高于进口气，预处理后进口气对应冷凝温度将更低，故预处理后低压气体不会出现冷凝。

根据以上分析，为防止取样过程中NH3发生冷凝，要求取样点与样气预处理箱之前的高压取样管线采用一体化电伴热管缆，出口气取样管线及对应预处理箱伴热温度不低于70℃，进口气取样管线及对应预处理箱伴热温度不低于10℃。预处理减压后管线无需伴热，出口气取样管线要求夏季伴热。

4 结束语

合成氨项目为传统化肥项目，随着技术的发展，近年来的项目均已设置在线分析仪表。在线分析可为操作员提供比化验室分析更为快速有效的数据。因色谱分析仪的维护量大、维护难度高，所以采用热导分析仪和红外分析仪分别测量φH2和φNH3的方案具有较好的性价比。氨合成在线分析的样气比较洁净，气体组分相对固定，样气处理也比较简单。根据上文中的分析只要预处理减压之前的样气温度高于冷凝温度，避免取样管线中出现NH3冷凝，就能够保证分析测量的准确稳定。